润滑油发展史和SAE标准

■ 张玉琴

“润滑”一词，要解决的是经典力学的摩擦问题，如今我们拥有相对论与量子力学，但几千年来人们的生活也未能摆脱摩擦的束缚。所以，实际上润滑油的起源和路边停得到处都是的轮子没什么两样，人类在文明的起始就已经点亮了这一路天赋树。

从植物油到矿物质油

至少在公元前17世纪，古埃及就出现了使用橄榄油来搬运巨石的记载，而到了公元前14世纪，人类甚至能用动物的油脂对战车轮轴进行润滑，但受限于对食物的需求，一直到中世纪才能稳定地从动植物当中提取润滑物质。近代文明的爆发始于第一次工业革命，而现代意义上的润滑油也跟随着石油产量的井喷得到新生。

Peter Kalm

1747年，31岁的冒险家Peter Kalm接受了瑞典皇家科学院的一项任务：旅行至北美进行冒险，并带回有助于瑞典农业发展的作物。不过第二年他所绘制的一幅地图却使他以另一种方式被铭记。地图里的地方后来被称为“油泉之春”。1859年Edwin L. Drake在这里建立起第一口商业油井，人类文明史上又闪耀出一道明亮的火焰。

美国宾夕法尼亚州，油泉之春

Drake的油井打开了石油纪元，加速了人类使用矿物油的进程。但因当时未经处理的原油不能展现出卓越的润滑性能，甚至无法与大多数动物脂肪产品相比，使产品看似优越却争议不断。

彼时一个准备进入卡尔斯鲁厄大学的德国少年，在26年后成为转折点。作为第一台汽油机汽车的发明者，Karl BenZ开始了汽车市场病毒式的扩张。繁荣的汽车业对润滑的需求也一样繁荣。这个阶段溶剂精制的基础油成为最好的选择，加上各厂商的积极改良，矿物油最终占领了全世界——事实上在这段时间里诞生了许多知名的机油厂商，比如耳熟能详的壳牌、埃克森美孚、嘉实多，还比如BP、Motul、胜牌等。

真正意义上的第一台汽车来自奔驰，当时整个行业还没有健全的标准，不同润滑油之间风格迥异。全球化的进程中，如果厂商之间没有统一的标准就得付出极大代价。于是从1911年开始，SAE（美国汽车工程师协会）着手解决这个问题，并发布了SAE J300标准，今天我们能使用各种级别的润滑油来应对不同的车型、天气、地区，都始于这里。

SAE如何对机油分级？

当时润滑油能够承受的最高工作温度也就在100℃左右，而当时的润滑油黏度随温度升高却是下降的，环境温度过高会导致润滑油过稀，无法形成有效的油膜对零部件进行润滑保护。因此，选定100℃作为基准温度对润滑油的黏度进行测试，具有一定的参考意义。

黏度又是怎么测试的呢？工程师们使用的是黏度计，让润滑油流经特定的管道，测试所需时间，量化这个过程的参数就叫做运动黏度。对于普通人而言这个参数不易理解，而且实际上黏度差别不大时，润滑油的区别也未必有那么大，SAE最终对其进行了分级。

SAE30的性能由于覆盖了大部分区域的需求，成为当时接受度最广的级别。而黏度更高或者更低的润滑油，就更多地被用来应对极端工况，比如赛车发动机的温度更高，就得使用SAE 40、SAE50的润滑油了。

1930年之前，润滑油只能满足汽车行驶1500公里左右的里程，不够耐用的问题促使厂商们加速添加剂的研发进程，这个阶段工程师们发现了锌与磷可以作为耐磨剂的核心，钙与镁则是清净剂和耐酸剂的关键等等，添加剂极大地延长了润滑油的寿命，并在1940年前后得到了商业化，但这还不够。

第一次世界大战和第二次世界大战期间，飞机数量的井喷对发动机的转速、负荷提出了更高的要求，战争结束后这些要求就被放到了汽车上，最明显的体现就是豪华轿车的性能已能与战前的赛车比肩，这也意味着民用市场对SAE 50的需求开始增加。遗憾的是，虽然SAE 50在高温时有足够的黏度去应付高性能发动机，但环境温度降低后则显得过于黏稠。此时，不论是工程师还是消费者，都已经认识到了一个问题：现有的分级制度不足以描述已有机油产品的低温性能。

第二次世界大战期间，塑料行业附着于石油化工飞速发展，工程师们也是在这时发现了高分子材料的潜力：黏度强化剂可以在温度升高的时候减缓机油黏度下降的趋势。比如SAE 30的润滑油经过改造，在保证自身低温性能的同时，还能在高温环境达到SAE 50的黏度。为了区别润滑油是否进行了这种处理，1952年SAE开始对这种机油进行复合分级。

SAE 30的润滑油，由于可以满足-10℃以上的环境，也被等效为SAE 20W30，假如经过改造使其达到了SAE 50的标准，那么就成为SAE 20W50。这种分级制度很快就被行业所接受，而战前最受欢迎的SAE 30，战后已然变成了SAE 20W50。

早期这种复合级别的机油也存在缺陷：黏度强化剂很容易被氧化成有害物质。面对这个事实，人们找到的第一个答案是全合成机油，可是当时其价格往往是普通机油的三倍以上，难以推广。

SAE复合级别是如何完善的？

1911年诞生的SAE J300是第一部有据可查的汽车发动机油标准。在后面的发展中，SAE J300进行了多次修订和调整，尤其是最近的30年里变化较大，主要是两方面的原因：汽车发动机技术的快速发展，还有就是流变测试法的改进。发动机厂家、机油厂家各方达成共识，对SAE J300定期进行更新，SAE标准为机油黏度的划分提供了基本的参照标准。

随着复合级别机油的流行，SAE意识到了复合级别与单级别的机油相比，在高温高压的条件下黏度属性非常不同，一些复合级别的机油在高温下容易失效。于是1970至1975年间，SAE 对J300进行了修订，新增了150℃超高温测试。后来润滑油技术的不断进步，也不停地推动这个标准的变动，过往的种种严谨才使得今天的我们有更好的依据。

如今，SAE J300将不含黏度强化剂的机油认定为单级别机油，并定义了6个冬季级别和5个夏季级别，这两类级别的测试方法、使用的单位都不一样，所以像0W40以及5W40这样的复合级别产品，就必须同时通过两种级别的测试。

在夏季级别的测试当中，为了保证机油存有余力应对温度变高而黏度变稀的过程，较高的牌号是消费者的优选。但如前所说，级别是以一定黏度范围来划定的，比如下面四个品牌的机油，尽管级别相同，都是0W40或者5W40，但相比来说3M的黏度就要明显高一些，S牌和C牌则不相上下。这有点像考试，95～100分都算A+，而100分相比95分还是有点不一样。

低温环境下黏度如果过高，反而会造成发动机冷启时机油流动性较差，不能及时对零部件进行润滑，所以黏度较低的级别更好。

20世纪60年代前，除了SAE的黏度分级外，并无有效的标准对机油质量进行管控：将石蜡从原油提炼出来并不只有一种方法，炼制出的基础油成分也不太一样，比如有的微粒溶解度更高不容易产生杂质，有的芳香烃成分比较多就容易挥发、氧化等等。